中心議題：

• 探討采用電感的PWM調節方法

解決方案：

• 采用電腦通過RS-485 在線控製PWM 占空比的變化
• 利用RS-485 , 通過PWM 波與驅動電路中LED 上電流的函數關係

文章出處： 發布時間： 2011/12/08 | 339 次閱讀 | 0次推薦 | 0條留言
業界領先的TEMPO評估服務 高分段能力
，高性能貼片保險絲 專為OEM設計師和工程師而設計的產品 使用安捷倫電源
，贏取iPad2 Samtec連接器 完整的信號來源 每天新產品 時刻新體驗 完整的15A開關模式電源

LED 是一種固態電光源， 是一種半導體照明器件，其電學特性具有很強的離散性。它具有體積小
、機械強度大、功耗低、壽命長， 便於調節控製及無汙染等特征，有極大發展前景的新型光源產品。LED 調光方法的實現分為兩種： 模擬調光和數字調光
， 其中模擬調光是通過改變LED 回路中電流大小達到調光
； 數字調光又稱PWM 調光
， 通過PWM 波開啟和關閉LED 來改變正向電流的導通時間以達到亮度調節的效果。模擬調光通過改變LED 回路中的電流來調節LED 的亮度， 缺點是在可調節的電流範圍內， 可調檔位受到限製
；PWM 波調光可通過改變高低電平的占空比來任意改變LED 的開啟時間
， 從而使亮度調節的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用
， 以達到調節LED 亮度的效果。

1 LED 調光方法

模擬調光是通過改變LED 回路中電流大小達到調光


， 電源電壓不變， 通過改變R 的電阻值來改變回路中的電流
， 從而達到改變LED 亮度的效果。很多其他模擬調光都是采用這種方法的延伸， 其優點是電流可連續
， 但可調節電流的範圍往往受到硬件的限製， 調節檔位不多， 對於要求亮度感應敏感的高精度采光設備， 這種方法不理想。

數字調光又稱PWM 調光

， 通過PWM 波開啟和關閉LED 來改變正向電流的導通時間
， 以達到亮度調節的效果。該方法基於人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED 時亮時暗。如果亮暗的頻率超過100 Hz , 人眼看到的就是平均亮度， 而不是LED 在閃爍。PWM 通過調節亮和暗的時間比例實現調節亮度
， 在一個PWM 周期內， 因為人眼對大於100 Hz 內的光閃爍， 感知的亮度是一個累積過程， 即亮的時間在整個周期中所占得比例越大， 人眼感覺越亮。但是對於一些高頻采樣的設備
， 如高頻采樣攝像頭， 采樣時有可能恰好采到LED 暗時的圖像。因此本文將模擬和數字相結合
， 設計了LED 的驅動電路。

2 采用電感的PWM 調節方法

2.1 驅動電路

電路中
， 當電感上通有電流時
， 電感會產生磁場
， 即部分電流轉換成磁能的方式" 存儲" 在電感中
； 當不再向電感上通電流時， 電感會將磁能通過電流的方式在回路中釋放出來。這也是電感上電流不能突變的原因

， 基於電感的這種" 充放電" 原理， 可以將它用來平均PWM 波調光中產生的不連續電流。式（1） 、式（2） 分別是LR 電路的充電和放電過程及電流與時間的關係。

其中
，If是最終穩定電流，I0是放電初始電流
，τ （τ=L/R,L 是電感值，R 是回路電阻） 是LR 電路的時間常數。

圖1 所示為驅動電路

， 電感值的選擇以及PWM 波的頻率選擇在此驅動電路中相當重要。選擇C8051330 芯片作為PWM 波的輸出， 采用定時器翻轉控製高低電平的時間，從而控製PWM 波的占空比。

圖1 驅動電路

要保證PWM 周期小於電感的τ 時間， 因為若PWM 的周期大於τ， 則極有可能出現在PWM 的占空比變化的情況下
， 電路中電流都能達到電感的飽和直流電流
， 影響了對LED 電流調節。當C8051330 的時鍾頻率是25 MHz ,PWM 的周期的選擇對電流改變檔位的影響很大。若周期越大， 則PWM 占空比的檔位越多
， 反之越少。擬用256 個檔位的占空比
， 因此PWM 波的頻率應選擇在100kHz 以下，即周期在10 μs 以上，直流電感為10Ω
， 此時電感值應選擇大於0.1 mH.圖2 分別是PWM 頻率為100kHz , 占空比為90%, 電感為0.1 mH
、1 mH 和40 mH 時電路電流值的模擬結果。

技術中心每天會更新了大量技術內容和方案
，可查看：
http://0-fzl.cn/art
[page]

通過模擬可初步選擇40 mH 的電感作為驅動電路所用， 圖3 是用示波器采到的電壓波形圖， 此電壓是電路中串聯了一個20 Ω 的電阻上的電壓， 穩定後電壓為340 mV, 即電路中電流為17 mA.因為實際電路中電流有損耗， 所以實際電流值比模擬電流值偏小
， 但整個電流的變化趨勢與模擬基本一致。

圖3 電感值40mH 電路中串聯電阻的電壓變化

技術中心每天會更新了大量技術內容和方案，可查看：
http://0-fzl.cn/art
[page]
2.2 電流與PWM 占空比的關係

圖4 所示為LED 驅動電路充電以及放電曲線圖，Imax是電路在直流情況下的最大電流。設在PWM 占空比為m 時電路中的電流值在充電曲線上的t1時刻的電流值附近波動， 此時應該滿足以下條件：t 點的充電曲線斜率為k1,a 點處放電曲線斜率為k2, 應有k1mT=|k2 |（1-m）T,驅動電路中的電流因此維持在一個恒定值附近微小波動。

分析可知， 當啟動驅動電路後
， 經過若幹個充放電周期電流達到一個相對穩定的值
， 之後電流在這個穩定值附近波動。如圖5 所示
， 對每個周期而言， 充電時電流曲線的斜率在不斷下降
； 放電時電流曲線的斜率絕對值在不斷增加； 滿足圖4 的條件時
， 電流相對穩定。從而得出在LR 電路時間常數τ 一定時， 電感電流隨PWM 占空比的關係為：

其中m 是PWM 占空比。

圖5 是電感電流隨PWM 占空比變化的實驗結果曲線
， 該曲線是在電感值為40 mH 時
， 電路中串聯了一個22 Ω 電阻的情況下測得的。分析理論公式和實驗結果，可發現在PWM 占空比為36%~86%區間， 電感上電流值隨PWM 波占空比線性變化， 變化趨勢與理論推導一致。

對於高占空比的區間段， 由於充電曲線斜率已經趨近不變， 此時電流值也趨於最大值， 而在低區間段， 由於充電時間較短， 電路中損耗較大
， 電感上電流值也趨近於零。

2.3 PWM 占空比調節方式

采用電腦通過RS-485 在線控製PWM 占空比的變化， 根據需要在256 個檔位中進行選擇， 每次用電腦向RS-485 發送兩個字節的十六進製命令， 從而改變C8051產生的占空比， 達到改變LED 亮度的目的。

RS-485 接口電路的主要功能是： 將來自微處理器的發送信號TX 通過" 發送器" 轉換成通信網絡中的差分信號
， 也可以將通信網絡中的差分信號通過" 接收器"轉換成被微處理器接收的RX 信號。任一時刻，RS-485收發器隻能工作在" 接收" 或" 發送" 兩種模式之一。因此， 采用了圖6 所示電路， 由微處理器輸出的R/D 信號直接控製SN75LBC184 芯片的發送器/接收器使能：R/D信號為"1 " , 則SN75LBC184 芯片的發送器有效

， 接收器禁止， 此時微處理器可以向SN75LBC184 總線發送數據字節
；R/D 信號為"0 " 則SN75LBC184 芯片的發送器禁止， 接收器有效， 此時微處理器可以處理來自RS-485總線的數據字節。此電路中， 任意時刻SN75LBC184 芯片中的"接收器"和"發送器"隻能夠有一個處於工作狀態。

圖6 RS-485 電路

不論從模擬還是實驗角度來看
， 在PWM 調光驅動電路中加入電感， 可成功將電路中大範圍變化的電流" 平均" , 使其穩定在一個可通過理論計算得出的值附近。本文綜合了模擬調光和數字調光的共同優點， 且可以利用RS-485 , 通過PWM 波與驅動電路中LED 上電流的函數關係， 改變PWM 波的占空比， 即可讓LED 有著理想的電流值
， 並用計算機實時、細致地改變LED 的亮度。

技術中心每天會更新了大量技術內容和方案，可查看：
http://0-fzl.cn/art